The saturating counter is the basic module of the dynamic branch predictor, which involves the core technique to improve instruction level parallelism performance in modern processors. However, most studies focus on the performance improvement and hardware consumption of saturating counters, while ignoring the security problems they may cause. In this paper, we creatively propose to study and design saturating counters from the defense perspective of differential privacy, so that attackers cannot distinguish the states that saturating counters are in and further infer sensitive information. To obtain theoretical guarantees, we use Markov chain to formalize the attack algorithm applied to the saturating counter, investigate into the optimal attack strategy and calculate the probability of successful attack. Furthermore, we find that the attacker is able to accurately guess the branch execution of the victim's process in the existing saturating counters. To avoid this, we design a new probabilistic saturating counter, which generalizes the existing conventional and probabilistic saturating counters. The guarantee of differential privacy is applied to deduce parameters of the new saturating counters so that the security requirement can be satisfied. We also theoretically calculate the misprediction rate when the saturating counter reaches the steady state. The experimental results on testing programs show that the calculated theoretical results agree with the experimental performances. Compared with the existing conventional and probabilistic saturating counters, when the parameters of our designed models are selected appropriately, the new saturating counters can not only ensure similar operational performance, but also establish strict security guarantee.


翻译:饱和计数器是动态分支预测器的基本模块,它涉及提高现代处理器中教学水平平行性表现的核心技术。然而,大多数研究侧重于性能改进和饱和计数器硬件消耗,同时忽视它们可能造成的安全问题。在本文件中,我们创造性地提议从不同隐私的防御角度研究和设计饱和计数器,这样攻击者就无法区分饱和计数器在敏感信息中和进一步推断的状态。为了获得理论保证,我们使用马尔科夫链将用于饱和计数器的攻击算法正规化,调查最佳攻击策略并计算成功攻击的概率。此外,我们发现攻击者能够准确猜测受害者在现行饱和计数计数计数计数器中的分支执行过程。为避免这一点,我们设计一个新的饱和计数计数计数计数计数的饱和计数器将现有的常规和稳定饱和计数计数计数。 差异隐私权的保证只能用于推算新的饱和计数器的参数,这样安全要求才能得到满足。此外,我们还发现攻击者能够准确猜测算出现有常规性测试结果。 我们从理论上计算出了固定的实验性测试结果。

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